Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Помехоустойчивые радиосистемы передачи информации на основе многокритериального синтеза сигналов. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 127 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

ривался порог помехоустойчивости (g), который определялся аналогично

АБГШ

Из анализа рисунка 3.15 следует, что эффективная адаптация к действию УП осуществляется при значениях коэффициентов

0,1; 0,3;c =

а весовой коэффициент

при этом должен быть

0,1; 0,3c 

соответственно. Причем в этом случае синтезированные

16-позиционные радиосигналы реализуют лучшие показатели помехо- устойчивости (при действии УП и АБГШ) по сравнению с сигналами c QAM-16 (при действии только АБГШ) (см. рисунки 3.12 и 3.15).

При анализе рисунка 3.16 можно сделать вывод, что формирование провала в СПМ на частоте действия помехи несколько увеличивает внеполосное излучение. Однако общая динамика зависимостей показателей внеполосного излучения от весовых коэффициентов остается аналогичной приведенной на рисунке 3.13: известные радиосигналы QAM-16

()pt

и QAM-16

()pt

обеспечивают меньшую ширину

СПМ на уровне -30 дБ, но по уровню -60 дБ синтезированные радиосигналы реализуют снижение внеполосного излучения (при

0,1c 

Таблица 3.16 — Зависимости показателей внеполосного излучения

от весовых коэффициентов

(

0,1c =

)

Результаты сравнительного анализа рисунков 3.14 и 3.17 свидетельствуют о небольшом ухудшении показателя энергоэффективности при адаптации к действию УП.

Тогда в качестве примера целесообразно более подробно рассмотреть многокритериальный синтез 16-позиционных радиосигналов со следующими весовыми коэффициентами:

1 2 3

0,3; 0,1; 0,3.c c c= = =

Для исследования работоспособности предлагаемой процедуры адаптации ИСПИ при изменении внешних параметров УП целесообразно произвести количественную оценку показателей качества синтезированных радиосигналов при вариации отношения сигнал-помеха

( ).q

Таблица 3.17 — Зависимости показателя энергоэффективности от

весовых коэффициентов

(

0,1c =

)

На рисунке 3.18 приведены зависимости порога помехоустойчивости синтезированных и известных 16-позиционных радиосигналов от отношения сигнал-помеха.

Таблица 3.18 — Зависимости порога помехоустойчивости

синтезированных и известных радиосигналов от отношения

сигнал-помеха

Здесь расположение УП – на частоте несущего колебания полезного сигнала; а ширина спектра

f=

от ширины СПМ радио-

сигнала. Статистика накапливается по 100 реализациям УП. Доверительные интервалы рассчитаны для доверительной вероятности 0,95 и при условии, что измеряемые величины имеют нормальный закон распределения, однако не приведены на рисунках, чтобы их не загромождать.

Из анализа рисунка 3.18 следует, что синтезированные радиосигналы под действием АБГШ и УП вплоть до отношения сигналпомеха

9q =−

дБ сохраняют помехоустойчивость на уровне сигнала с

QAM-16 при воздействии только АБГШ. Для рассмотренного извест-

ного вида модуляции такое же значение показателя g достигается при отношении сигнал-помеха больше 25 дБ [58, 68]. Необходимо заме-

тить, что и в случае сравнительно высокого отношения сигнал-помеха

( 20q 

дБ) по показателю качества помехоустойчивости (g) синтези-

рованный 16-позиционный радиосигнал имеет выигрыш (порядка 2 дБ) над сигналом с QAM-16 [68, 69]. Это происходит, как отмечалось выше, за счет некоторого расширения занимаемой полосы частот.

Синтезированный 16-позиционный радиосигнал (при весовых коэффициентах

1 2 3

0,3; 0,1; 0,3c c c= = =

) по сравнению со спектраль-

ноэффективным сигналом с QAM-16

()pt

обеспечивает расширение

ширины СПМ на уровне -30 дБ на 43 % (за счет как формирования провала в СПМ на частоте действия УП, так и дополнительного улучшения помехоустойчивости к АБГШ); однако по уровню -60 дБ реализуется уменьшение внеполосного излучения на 30 %; кроме того, энергоэффективность сигналов (пик-фактор) улучшена на 33 % (см. рисунки 3.14 и 3.17).

4. ПРОЦЕДУРЫ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО СИНТЕЗА СИГНАЛЬНО-КОДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ИНТЕРЕСАХ АДАПТАЦИИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ К ДЕЙСТВИЮ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ ПОМЕХ

4.1. Вводные замечания

На показатели качества СПИ определяющее влияние оказывают используемые процедуры кодирования и модуляции. При согласованности данных процедур по некоторому критерию получают СКК, обеспечивающие дополнительное улучшение характеристик СПИ [30,

70].

На практике [26] широко распространены СКК на основе решетчатого кодирования (trellis coded modulation − TCM) [71], обеспечивающие повышение помехоустойчивости СПИ к действию АБГШ без расширения занимаемой полосы частот.

В интересах уменьшения внеполосного излучения применяют другой класс СКК − на основе «зависимых» сигналов длительностью

[20], форма которых на текущем символьном интервале опре-

деляется как данным информационным символом, так и одним или более предшествующими. Это позволяет, с одной стороны, уменьшить флуктуацию огибающей при передаче подряд одинаковых информационных символов, а с другой – более эффективно реализовывать переходы в синфазной и квадратурной составляющих при различающихся информационных символах. Такой класс СКК обладает, по сравнению с «независимыми» радиосигналами, более сложной процедурой манипуляционного кодирования и увеличенным объемом КА (для реализации различных состояний кодера).

Однако применение перечисленных СКК в условиях действия УП, спектральный состав которых может изменяться с течением времени, не позволяет достигнуть предельных характеристик.

В случае априорно неизвестной помеховой обстановки наибольшей эффективностью обладают адаптивные СПИ. При этом

адаптация СПИ за счет использования класса известных СКК, как в системах когнитивного радио [4], не позволяет обеспечить защиту от действия преднамеренных помех, так как известные СКК могут быть распознаны [72...81] с целью постановки эффективных структурных помех. Необходимо отметить, что разработка нестандартных процедур кодирования, удовлетворяющих требованиям вышеперечисленных СКК, представляет собой нетривиальную задачу [82, 83], так как многие из известных процедур кодирования данных классов разрабатывались на основе эмпирического подхода. Напротив, в п. 2 данной работы разработана процедура синтеза многопозиционных радиосигналов, реализующая адаптацию ИСПИ к действию УП за счет применения как известных, так и нестандартных видов модуляции. Следовательно, адаптацию СКК к действующим УП целесообразно осуществить за счет синтеза многопозиционных радиосигналов, удовлетворяющих требованиям к соответствующему классу СКК. При этом параметры СКК оказывают определяющее влияние на качественные характеристики СПИ: уровень внеполосного излучения, энергоэффективность и др. При синтезе СКК в интересах недопущения деградации других важных для СПИ показателей качества необходимо осуществить многокритериальный синтез, позволяющий более эффективно использовать предоставленные ресурсы радиоканала при соответствующих критериях качества.

В радиолиниях, подверженных влиянию замираний, сравнительно высокие показатели качества реализуют радиосистемы, осуществляющие передачу данных с помощью СКК на основе битового перемежения (Bit-Interleaved Coded Modulation – BICM) [84, 85]. Стоит отметить, что и в случае воздействия различного рода импульсных помех представляется целесообразным применение систем с перемежением. При мешающем воздействии от радиосистем с динамически изменяющимися параметрами модуляции, ведущих передачу в пакетном режиме (т.е. при действии импульсных пакетных сигналоподобных помех), СКК с фиксированными типами радиосигналов также не реализуют предельных характеристик.

При изменении параметров и состава помеховой обстановки высокоэффективны адаптивные радиосистемы передачи информации, использующие реконфигурирование своих характеристик, в том числе на основе принципов программно-определяемого радио. Однако адаптация таких систем с помощью применения стандартных видов сигнально-кодовых конструкций, как в устройствах на основе технологии когнитивного радио, обладает рядом недостатков: неэффективность адаптации к мешающим факторам, действующим в полосе СКК, без смены текущего диапазона частот; низкая структурная скрытность передаваемой информации. При обозначенных выше условиях целесообразно в перспективные ИСПИ за счет многокритериального синтеза СКК на основе битового перемежения также внедрить процедуру адаптации к наличию импульсных пакетных сигналоподобных помех.

Таким образом, с учетом вышеперечисленного в 4-й главе

необходимо решить следующие задачи:

- обосновать набор критериев качества СКК на основе решет-

чатого кодирования, учитывающих наиболее значимые характеристики ИСПИ;

- обосновать процедуру многокритериального синтеза СКК на основе решетчатого кодирования в интересах адаптации ИСПИ к действию УП и проанализировать ее эффективность;

- обосновать набор критериев качества СКК на основе «зависимых» сигналов, учитывающих наиболее значимые характеристики ИСПИ;

- обосновать процедуру многокритериального синтеза СКК на основе «зависимых» сигналов в интересах адаптации ИСПИ к действию УП и проанализировать ее эффективность;

- обосновать вектор критериев качества и выбор алгоритма оп-

тимизации в интересах синтеза СКК на принципах битового перемежения для реализации ИСПИ свойств адаптивности к наличию импульсных пакетных сигналоподобных помех, проанализировать их эффективность;

- рассмотреть практические аспекты реализации разработанных

процедур многокритериального синтеза СКК в интересах адаптации ИСПИ к действию УП.

4.2. Процедура многокритериального синтеза сигнально-кодовых конструкций на основе решетчатого кодирования в интересах адаптации систем передачи информации к действию узкополосных помех

4.2.1. Особенности использования критериев качества радиосигналов при процедуре многокритериального синтеза сигнально-кодовых конструкций на основе решетчатого кодирования в интересах адаптации систем передачи информации к узкополосным помехам

Для решения поставленной задачи необходимо учитывать огра-

ничения, накладываемые решетчатым кодированием на класс используемых СКК.

Во-первых, скорость кодирования должна составлять

/ ( 1)kk+

[71] (k – кратность вида модуляции), тогда вносимая избы-

точность компенсируется применением вида модуляции с позиционностью

k +

, т.е. вдвое большей в сравнении с передачей данных без

кодирования.

Во-вторых, отображение кода в сигнал основывается на после-

довательном разбиении используемого КА на подмножества с возрастающими минимальными евклидовыми расстояниями между элементами [26].

Как отмечалось выше, для эффективного уменьшения влияния

УП на ИСПИ целесообразно синтезировать СКК на основе использования многопозиционных радиосигналов, удовлетворяющих заданным требованиям для TCM (trellis coded modulation). При этом можно применить известные процедуры кодирования и декодирования.

Для рационального использования ресурсов радиоканала при

синтезе СКК целесообразно применять многокритериальный подход

[16], что обеспечивает возможность учета наиболее значимых для

ИСПИ показателей качества, а именно пропускной способности, ослабления действия УП, внеполосного излучения, помехоустойчивости при АБГШ для случая TCM и энергоэффективности формируемой СКК. В этом случае предлагается применить целевую функцию (2.3) с заменой слагаемого (1.22) на критерий максимума помехоустойчивости к собственным шумам приемника при использовании TCM [86]. В данном критерии в интересах выполнения требований, предъявляемых к радиосигналам для реализации решетчатого кодирования, необходимо, чтобы при последовательном разбиении используемого КА на подмножества возрастали минимальные евклидовы расстояния между элементами. Для этого целесообразно соответствующие попарные евклидовы расстояния между элементами КА для син-

тезируемой СКК (

) устремить к эталонным

( ) ( )

( , )

– используе-

мым при TCM. Следовательно, можно задать данный критерий качества в виде [87, 88]:

( )

( ) ( )

min ( , ) ( , ) ,

, 1, , , , ,

k l k l

k l M k l const



−

 

=  =



s s s s

(4.1)

где M – количество элементов в КА (соответствует позиционности СКК).

Таким образом, в процедуре синтеза СКК на основе решетчато-

го кодирования в интересах адаптации ИСПИ к действию УП целесообразно применение комбинированного [17] критерия качества:

( )

1 1 2

( ) ( )

2 2 2 2

3 3 log 4 4

( ) ( ), ( , )

( , ) ( , )

10 lg[ ( , )] ( ) [ ( )]/ ( [ ( )]) ,

1; , 0; , ; , ; , 1, ,

p opt

k l k l

мгн мгн

i i i i i k l

k c M d G f G f

c M d d

c M h G f G f c M D P M P

c M c M c const k l M

+ − +

+  − +

=  =  =





s s s s

S S S

s s S

(4.2)

где

– коэффициенты, определяющие вес каждого входящего крите-

рия качества;

– нормирующие коэффициенты, приводящие от-

дельные слагаемые к общему динамическому диапазону; M – позиционность СКК.

Как уже отмечалось выше, результаты синтеза, полученные при

использовании целевой функции (4.2), не содержат «худших» СКК, т.е. не требуют дополнительного времени на отсеивание неоптимальных решений, однако могут содержать не все «нехудшие» СКК [16].

Принимая во внимание схожесть целевых функций (4.2) и (2.3)

(отличие лишь в одном из четырех используемых критериев), а также то, что синтез СКК представляет собой задачу нелинейного программирования сравнительно высокой размерности, решение которой должно производиться в режиме реального времени, в качестве метода оптимизации целесообразно использование квазиньютоновских методов с конечно-разностной аппроксимацией производных [39, 40].

Таким образом, процедура синтеза СКК в интересах адаптации

ИСПИ к действию УП включает в себя следующие этапы:

1) по полученной СПМ узкополосной помехи определяется эта-

лонная спектральная плотность мощности

()

opt

;

2) при учете соответствующих весовых коэффициентов

фор-

мируется целевая функция согласно выражению (4.2);

3) инициализируется алгоритм определения области решений,

на первом этапе которого при помощи функциональной зависимости между синтезированными радиосигналами и внешними параметрами задачи оптимизации вычисляется приближение КА (

). На втором

этапе производится сравнение значений целевой функции (4.2) при

с достигнутым на предыдущей

( 1)j −

итерации (т.е. при

( 1)j −S

); ар-

гумент (КА) целевой функции с меньшим значением принимается принадлежащим области решений;

4) при помощи квазиньютоновского метода оптимизации вы-

числяется точка приближения к экстремуму.

4.2.2. Анализ коэффициентов, определяющих важность отдельных критериев качества синтезированных сигнально-кодовых конструкций на основе решетчатого

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 127 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]